近年来,钛及钛合金由于其抗腐蚀性好,比强度高等优点被广泛应用于航空、航天、医疗和海洋工程等领域。然而钛的冷塑性变形能力低,合金产品的加工和制造困难,限制了钛及钛合金产品的发展和应用。而超声振动塑性成形技术具有降低成形力,减小摩擦和改善材料的成形性能等优点,已被广泛应用于拉丝、拉拔、挤压成形和粉末成形等各种塑性加工工艺中。因而将超声振动塑性成形技术应用于钛及钛合金产品的加工,有望提高钛及钛合金材料的成形能力并扩大其使用范围,进一步促进钛及其合金制品的发展和应用。但是目前超声振动塑性成形技术在钛及钛合金方面的理论研究相对较少,超声振动在钛及钛合金材料中的变形机理尚不明确;在定量分析超声振动对材料变形行为的影响和预测钛及钛合金在超声振动辅助变形下的应力应变分布时,缺少可靠、精确且适用于超声振动辅助材料塑性变形的本构模型;此外,在超声振动辅助钛及钛合金塑性变形过程中表面摩擦系数变化和摩擦模型方面缺乏研究。本文选用TA1纯钛作为研究材料。针对以上问题,为了研究超声振动对材料成形能力和变形机理的影响,本文首先进行了不同径高比下的超声振动辅助压缩实验,在压缩过程中检测其温度变化并观察其微观组织;为了构建适用于超声振动辅助TA1纯钛压缩的本构模型,基于Johnson-Cook模型(简称J-C模型),通过不同应变速率和不同振幅下的超声振动辅助压缩实验,研究了超声振幅对J-C模型和J-C改进模型中各参数的影响规律;为了研究超声振动辅助压缩过程中摩擦系数的变化,通过建立超声振动辅助压缩的摩擦模型,利用超声振动辅助压缩的实验数据来计算得到摩擦系数,使用ABAQUS进行超声振动辅助压缩过程的数值模拟,通过实验和有限元迭代法对摩擦模型进行验证。研究表明:超声振动可以降低材料的屈服强度和流动应力,其减小值随超声振动能量密度的增大而增大。与常规压缩相比,振幅4.6 μm和6 μm条件下材料的屈服应力分别降低了21 MPa和31 MPa,在应变为0.59时的流动应力分别下降了35.6 MPa和46.7 MPa。在超声振动辅助压缩过程中,存在超声软化、应力叠加和应变硬化机制,振动停止后,材料表现为残余软化效应。超声振动会促进纯钛材料中变形孪晶的产生使晶粒细化,从而减少孪晶的数量,材料中的孪晶数量越少,残余软化效果越明显。本文基于J-C模型建立的本构模型预测的结果与实验值的相对误差最大为4.48%,可以准确的预测应力应变曲线。本文建立的本构模型预测的应变范围更广,为0～0.65,而J-C模型和Lin等人改进的J-C模型可预测的应变范围分别为0～0.2和0～0.4。建立的摩擦模型计算出的摩擦系数比较准确,通过实验和有限元迭代模拟验证,模拟值和实验值的相对误差最大为2.7%。在振幅4.6 μm和6 μm状态下材料与工具的表面摩擦系数从0.32分别减少至0.28和0.26,说明超声振动可以降低材料的表面摩擦,其减摩效应与振幅成正比。